活塞环气环的作用和区分及分类

07-09

活塞环在高温、高压、高速及润滑极其困难的条件下工作，是发动机上寿命最短的零件。活塞环的优点为弹性好、强度高、耐磨损、耐热、冲击韧性好、导热性能好等。目前广泛应用的活塞环材料是合金铸铁（在优质灰铸铁中加入少量铜、铬、钼等合金元素），第一道是镀铬环，其余环一般为镀锡环或磷化环。

气环的功用
（1）密封：防止气缸内的气体窜入油底壳。
（2）传热：将活塞头部的热量传给气缸壁。
（3）辅助刮油、布油。

气环的密封原理

气环开有切口，具有弹性，在自由状态下外径大于气缸直径，它与活塞一同装入气缸后，外表面紧贴在气缸壁上，形成第一密封面，气环密封效果通常与气环数量有关，汽油机一般采用2道气环，柴油机一般采用3道气环。

发动机工作时，活塞和活塞环等机件都会发生热膨胀。而活塞环在气缸、活塞环槽内的运动相对比较复杂，既要与活塞一起在气缸内做上下运动，径向胀缩，还要在环槽内做些微的圆周运动，以保证气缸的密封性，并防止环卡死在缸内或胀死在环槽中。

图2-62气环的密封原理

活塞环在自由状态下不是正圆形。将活塞环装入气缸后，在其自身的弹力作用下环的外圆面和气缸壁贴紧形成第一密封面，气缸内的高压气体无法通过第一密封面泄漏。高压气体可能通过活塞顶岸和气缸壁之间的间隙进入活塞环的侧隙和径向间隙中。进入侧隙中的高压气体使环的下侧面和环槽的下侧面贴紧形成第二密封面，高压气体也无法通过第二密封面泄漏。进入径向间隙中的高压气体使环的外圆面与气缸壁更加贴紧。这时活塞环的开口端隙即为漏气的唯一通道。

如果几道活塞环的开口相互错开，则形成了迷宫式漏气通道。

由于侧隙、径向间隙及端隙都很小，气体在通道内的流动阻力很大，导致气体压力p迅速下降，最后漏入曲轴箱内的气体就非常少了，一般仅为进气量的0.2%~1.0%（质量分数）。活塞环随活塞一同装入气缸后，便产生弹力而紧贴在气缸壁上，形成密封面，使燃气无法通过环与气缸的接触面之间的间隙。环密封的效果和气环数目有关。气环数目通常为2~3道（汽油机2道，柴油机3道）。第一道工作条件最为恶劣，要求具有耐热、耐磨、高强度和冲击韧性等特性。

（2）气环分类及特点

①按气环的开口形状不同分，如图2-63所示。

图气环开口形状分类

a.直开口工艺性好，但密封性较差。
b.阶梯口密封性好，但工艺性较差。
c.斜开口密封性与工艺性介于前两者之间，斜角通常为30°或40°。

②按气环的断面形状不同分，如图2-64所示。
（a）矩形环（b）推形环（c）梯彩环（d）桶面环（e）扭曲环1（r）扭曲环2图2-64气环的断面形状

a.矩形环

断面呈矩形的气环。形状简单，加工方便，与气缸壁接触面积较大，有利于活塞散热。但磨合性差，而且在与活塞共同作往复运动时，在环槽内上下窜动，将气缸壁上的机油不断地挤入燃烧室中，产生

“泵油作用”，使机油消耗量增多，活塞顶及燃烧室壁面积炭。

b.锥形环

环的外圆面是锥角很小的锥面。理论上锥面环和气缸壁为线接触，磨合性好，增大了接触压力及对气缸壁形状的适应能力。当活塞下行时，锥面环能产生向下刮油的作用。当活塞上行时，因为锥面的油楔作用，锥面环能滑过气缸壁上的油膜而不会将机油带入燃烧室。锥面环传热性差，因此不用作第一道气环。由于锥角很小，通常不易识别，为避免装错，在环的上侧面标有向上的记号。

c.梯形环

断面呈梯形，其主要优点是抗黏结性好。当活塞头部温度较高时，窜入第一道环槽中的机油容易结焦并将气环粘住。当侧向力换向活塞左右摆动时，梯形环的侧隙、径向间隙均发生变化，将环槽中的胶质挤出。楔形环的工作特点和梯形环相似，且由于断面不对称，装入气缸后也会发生扭曲。梯形环适用于柴油机的第一道气环。

d.桶面环

环的外圆面为外凸圆弧形，其密封性、磨合性以及对气缸壁表面形状的适应性都非常好。桶面环在气缸内不论上行或下行均能形成楔形油膜，将环浮起，减轻环和气缸壁的磨损。

e.扭曲环

断面不对称的气环。装入气缸后，因为弹性内力的作用使断面发生扭转，所以称扭曲环。

扭曲环断面扭转原理：

将活塞环装入气缸之后，其断面中性层以外产生拉应力，而断面中性层以内产生压应力。拉应力的合力FA指向活塞环中心，压应力合力F2的方向正好相反。由于扭曲环中性层内外断面不对称，使FA和F2不作用在同一平面内而形成力矩M。在力矩M的作用下，使环的断面产生扭转。

如果将内圆面的上边缘或外圆面的下边缘切掉一部分，整个气环将扭曲成碟子形，则称这种环为正扭曲环；如果将内圆面的下边缘切掉一部分，气环将扭曲成盖子形，则称其为反扭曲环。在环面上切去部分金属称为切台。发动机工作时，在进气、压缩及排气行程中，扭曲环发生扭曲，其工作特点一方面和锥形环类似，另一方面因为扭曲环的上下侧面与环槽的上下侧面相接触，从而避免了环在环槽内上下窜动，消除了泵油现象，减少了环对环槽的冲击而引起的磨损。在做功行程中，巨大的燃气压力作用在环的上侧面和内圆面，足以克服环的弹性内力使环不发生扭曲，整个外圆面与气缸壁接触，这时扭曲环的工作特点和矩形环相同。

f.开槽环

在外圆面上加工出环形槽，在槽内填充可以吸附机油的多孔性氧化铁，有利于润滑、磨合及密封。